Устройство стартерных аккумуляторных батарей

Как у большинства аккумуляторных батарей других типов, устройство стартерных свинцово-кислотных батарей основано на последовательном соединении отдельных аккумуляторов. Используемые конструкционные материалы должны быть стойки к длительному воздействию серной кислоты. Одним из немногих стойких к такому воздействию металлов является свинец, поэтому все токоведущие детали изготавливаются из свинца или свинцовых сплавов.

В стартерных батареях электроды с активными веществами конструктивно выполняются в виде электродов, состоящих из про-филированных решеток, в которые вмазана паста, образующая при формировании пластины активную массу. Решетки отливают из свинцовых сплавов.

Паста для электродов состоит из свинцового порошка, замешанного в водном растворе H2S04. Для упрочнения активного вещества в пасту для положительных электродов добавляется поли-пропиленовое волокно. Для предотвращения уплотнения активного вещества отрицательных электродов в пасту добавляют расширители (сажу, дубитель БНФ, гумматы, вырабатываемые из торфа) в смеси с сернокислым барием.

Масса решетки составляет до 50 % массы электрода. Решетки положительных электродов, более подверженные коррозии, имеют более толстое сечение. Общая толщина пастированных электродов зависит от режимов работы и установленного срока службы аккумуляторной батареи и составляет 1,5...2 мм для аккумуляторных батарей, устанавливаемых на легковых автомобилях, и 2,4...2,6 мм для батарей, устанавливаемых на тракторах. Одинаковое количество активных материалов может быть заложено в малом числе электродов большей толщины или в большем числе электродов малой толщины. Во втором случае увеличиваются суммарная площадь поверхности активной массы и максимально допустимая сила тока разряда, но снижается механическая прочность электродов. Стартерные характеристики батарей лучше при малой толщине электродов.

Решетка должна обеспечивать равномерное распределение тока по всей массе активных материалов, поэтому электрод имеет форму, близкую к квадратной. В стартерных аккумуляторах применяют электроды шириной 143 мм и высотой 119 и 133,5 мм.

С помощью бареток 5 (рис. 1.32) собираются полублоки положи-тельных 4 и отрицательных электродов. Баретка имеет борн и мостик 8. К мостику припаиваются ушки электродов, и он определяет расстояние между ними. Борн является токоотводом полублока электродов.

Электроды в полублоке соединены параллельно. Число электродов зависит от требуемой емкости аккумуляторной батареи. Полублоки объединяются в блок электродов 9. Число отрицательных электродов в блоках обычно на один больше, чем положительных, и они являются в блоках крайними.

Это связано с тем, что активное вещество положительных электродов относительно в большей степени участвует в химических превращениях. Поэтому при симметричном двустороннем изменении активной массы в процессе заряда и разряда они меньше деформируются.

Между электродами в блоках устанавливаются сепараторы 2 - разделители из кислотостойкого пористого материала. Они предназначены для предотвращения соприкосновения разноименных электродов и короткого замыкания между ними. Благодаря высокой пористости и хорошей смачиваемости сепараторы не препятствуют свободному доступу электролита к активной поверхности электродов.

Рис. 1.32. Стартерная аккумуляторная батарея с открытыми межэлементными соединениями:

1 и 3 - соответственно отрицательный и положительный электроды;

2 - сепаратор; 4 и 7- соответственно полублоки положительных и отри-цательных электродов; 5- баретка; 6- предохранительный щиток;

8- мостик; 9- блок электродов; 10- крышка; 11 - заливное отверстие; 12- межэлементное соединение; 13- пробка; 14 - полюсный вывод;

15- моноблок; 16-опорная призма

От качества сепараторов в значительной степени зависят эксплуатационные характеристики батареи. Сепараторы должны обладать механической прочностью, эластичностью, сохранять свои свойства в широком диапазоне температур в течение всего срока службы батареи.

В качестве материалов сепараторов в современных конструкциях стартерных батарей используются мипор, мипласт, пластипор, винипор и поровинил. Мипор, или микропористый эбонит, получают в результате сложного технологического процесса вулканизации смеси натурального каучука с различными добавками. Промышленность выпускает сепараторы из мипора толщиной 1,1; 1,5 и 1,9 мм. Мипласт, или микропористый полихлорвинил, получают из поли- хлорвиниловой смолы методом спекания. Выпускаемые промышленностью сепараторы из мипласта имеют толщину 1,1; 1,3; 1,5; 1,7 и 1,9 мм. Высокими эксплуатационными свойствами обладают сепараторы из поровинила, которые изготавливают из полихлорвиниловой смолы с использованием циклогексана и крахмала. Применение поровинила позволяет на 10...15 % повысить мощность батарей при низких температурах.

Блоки электродов в сборе с сепараторами устанавливаются в ячейках моноблока 15 (см. рис. 1.32). Моноблок - это единый корпус батареи, разделенный герметичными изоляционными перегородками на 3 или 6 ячеек (по числу аккумуляторов, соответственно для бата-рей на 6 и 12 В). Моноблоки стартерных батарей изготавливаются из эбонита, термопласта (наполненного полиэтилена), полипропилена и полистирола. Эти материалы обеспечивают тепло- и морозоустойчивость, кислотостойкость и механическую прочность, особенно в условиях вибрации.

Электроды блока имеют в нижней части «ножки», которые после сборки опираются на специальные выступы на дне моноблока - донные призмы 16. В результате в нижней части батареи образуется так называемое шламовое пространство, в котором накапливается постепенно осыпающаяся с электродов активная масса. Это предотвращает преждевременный выход из строя аккумулятора из-за короткого замыкания этими частицами разноименных электродов.

Крышки 10 из эбонита или пластмассы могут закрывать отдельные аккумуляторные отсеки. На современных батареях применяют единые крышки, привариваемые или приклеиваемые к моноблоку. Крышки имеют отверстия 11 для вывода борнов и заливки электролита. Заливные горловины закрываются пробками с вентиляционными отверстиями.

Специальные отражатели в пробках препятствуют выплескиванию электролита через вентиляционные отверстия. Электролит не должен выплескиваться при наклоне батарей от нормального рабочего положения на угол 45°.

Герметизация индивидуальных крышек производится заливкой специальной битумной мастикой. При применении пластмассовых моноблоков на 20...25 % повышается удельная энергия аккумуляторной батареи. Моноблоки из полипропилена и полиэтилена в несколько раз прочнее эбонитовых моноблоков. Аккумуляторная батарея 6СТ-55П с прозрачным корпусом, из полипропилена устанавливается на автомобилях ВАЗ (рис. 1.33).

Отдельные аккумуляторы соединяются в батарею с помощью перемычек 1 (рис. 1.34), которые могут иметь различную конструкцию. В батареях с индивидуальными крышками перемычки проходят сверху (рис. 1.34,а). В случае применения общей крышки (монокрышки) перемычки располагаются над перегородками моноблока (рис. 1.34,6). При изготовлении новых конструкций моноблоков из пластмасс (полиэтилен, полипропилен) межэлементные соединения пропускаются сквозь отверстия в перегородках (рис. 1.34,в).

Рис. 1.33. Стартерная аккумуляторная батарея с закрытыми межэлементными соединениями:

1 - моноблок; 2 - крышка; 3 и 5 - соответственно положительный и отрицательный полюсные выводы, 4 - межэлементное соединение; в - пробка;

7-индикатор уровня жидкости; 8- сепаратор; 9 и 10- соответственно положительный и отрицательный электроды

Укороченные межэлементные соединения, кроме уменьшения омического сопротивления, позволяют сократить расход свинца при изготовлении батареи, а следовательно, ее массу.

Расстояние между верхними кромками электродов и крышкой составляет не менее 20 мм. Это расстояние необходимо для компенсации колебания уровня электролита и для отделения капель элекфолита при сильном газовыделении («кипении») в конце заряда.

Большая часть недостатков, присущих обычным аккумуляторным батареям (снижение уровня электролита, ускоренная коррозия обусловлена наличием 4,5...6 % сурьмы в сплаве свинца, используемого для изготовления решеток электродов. Согласно требованиям по уходу за стартерными аккумуляторными батареями через каждые 2500 км пробега необходимо проверять уровень электролита и при его уменьшении доливать дистиллированную воду.

Рис. 1.34. Способы соединения аккумуляторов:

1 с наружным расположением перемычек; б - через перегородку под ^щей крышкой; в - сквозь отверстие в перегородке под общей крышкой

Указанные недостатки привели к появлению так называемых необслуживаемых батарей. Основной задачей при разработке необслуживаемых батарей является ограничение электролиза воды в аккумуляторе и, как следствие, газовыделения. Наличие сурьмы в сплавах решеток приводит к значительному снижению перенапряжения, иначе говоря, к интенсивному газовыделению задолго до полного заряда батареи.

Таким образом, для создания необслуживаемых батарей необходимо заменить материал, применяемый при изготовлении решеток. В настоящее время для изготовления решеток применяются следующие материалы: свинцово-кальциево-оловянистый сплав; модифицированный свинцово-сурьмянистый сплав с уменьшенным содержанием сурьмы; сплав с малым содержанием сурьмы и кадмия для положительных электродов и свинцово-кальциево- оловянистый сплав для отрицательных.

Исследования батарей с решетками из свинцово-кальциево- оловянистых сплавов показали их высокую чувствительность к глубоким разрядам. По этой причине были разработаны батареи, в которых решетки положительных электродов изготавливаются из свинца, легированного сурьмой (1,25 %) и кадмием (1,5 %), а решетки отрицательных - из свинцово-кальциево- оловянистого сплава. При этом также повышается напряжение начала газовыделения до 2,45 Вив 15...17 раз снижается потеря воды от электролиза.

Применение свинцово-кальциевых сплавов приводит к необходимости изменения технологии производства, поэтому некоторые зарубежные фирмы разработали технологию изготовления решеток с уменьшенным содержанием сурьмы и легирующими добавками. Батареи, собранные на этих решетках, получили название малооб- служиваемых - их срок службы соответствует сроку службы обычных, но они не чувствительны к глубоким разрядам, а газовыделение в несколько раз меньше.

На рис. 1.35 представлена графическая иллюстрация скорости «выкипания» воды электролита в течение времени t функционирования на автомобилях батарей различных типов. По оси ординат отложен уровень электролита Н над верхними кромками электродов.

 

 

 

Рис. 1.35. Снижение уровня электролита в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи на автомобиле:1 - батарея с обычными свинцово-сурьмянистыми решетками; 2- малообслуживаемая батарея;3 - необслуживаемая батареяс решетками из свинцово- кальциево-оловянистых сплавов

В необслуживаемые и малообслуживаемые батареи, помимо замены материала решеток, введены следующие конструктивные изменения:

- положительные электроды помещены в сепаратор - конверт;

- блок электродов помещен на дно моноблока, тем самым увеличено количество электролита при сохранении габаритов батареи;

- толщина электродов не превышает 1,9 мм, что позволяет увеличить их число, т.е. снизить удельные токи, не меняя габариты батареи;

- применены сепараторы с меньшим удельным сопротивлением и более тонкие;

- соединение аккумуляторов осуществлено через перегородки моноблока.

Сопротивление батареи уменьшается за счет того, что удельное сопротивление решеток из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов, а также малосурьмянистых сплавов меньше, чем у решеток из обычного свинцово-сурьмянистого сплава.

Необслуживаемые батареи имеют следующие достоинства: лучшие пусковые качества (более высокое напряжение при неизменном токе); увеличенный срок службы; улучшенные зарядные характеристики; меньший саморазряд; уменьшение коррозии поло-жительных электродов; отсутствие необходимости доливки воды в процессе эксплуатации.

Полностью необслуживаемые батареи выпускаются в герметичном исполнении. Они не имеют заливных горловин и оборудованы специальным индикатором заряженности. При достижении определенного минимального уровня заряженности меняется цвет индикатора.

К борнам крайних блоков решеток аккумуляторов привариваются конусные полюсные выводы (см. поз. 14 на рис. 1.32 и поз. 3, 5 на рис. 1.33/ На выводах или рядом с ними на крышке отмечена полярность. В эксплуатации необходимо полностью исключить

возможность неправильного включения батареи в систему электрооборудования и, кроме того, обеспечить унификацию этого узла. Поэтому размеры положительного и отрицательного выводов стандартизированы и различны.

Конструкция и параметры каждой стартерной батареи должны удовлетворять соответствующим государственным стандартам или техническим условиям, в соответствии с которыми производится маркировка батарей. Первая цифра маркировки (3 или 6) характеризует число последовательно соединенных аккумуляторов (блоков электродов) в батарее, определяющее ее номинальное напряжение (6 или 12 В). Буквы СТ означают, что батарея стартерная. Последующие цифры определяют номинальную емкость в 20-часовом режиме разряда, а буквы - материал моноблока (Э - эбонит, Т - термопласт, П - полиэтилен), материал сепараторов (М - мипласт, Р - мипор, П - пластипор, С - стекловолокно совместно с каким- либо из сепараторов) и исполнение (Н - несухозаряженная, А - с общей крышкой, 3 - залитая электролитом и полностью заряженная необслуживаемая аккумуляторная батарея). Например, обозначение 6СТ-75ЭМ означает, что батарея стартерная с номинальным напряжением 12 В, емкостью в 20-часовом режиме заряда 75 А-ч, материал моноблока - эбонит, сепараторов - мипласт, исполнение - сухозаряженное.

Для некоторых стартерных батарей специальных типов в маркировку вводятся дополнительные условные обозначения, указывающие, например, на применение специального наружного металлического каркаса (МК), определенного типа электродов и т. д.

Европейским союзом производителей аккумуляторных батарей разработана и применяется система индентификации аккумуляторов ETN. Эта система разработана с целью обеспечения однозначной международной маркировки аккумуляторных батарей, что важно как для производителей так и для потребителей.

Номер ETN - это система из 9 цифр, разделенных на три группы. Каждая группа состоит из 3 цифр. Например аккумулятор 12 В 55 А-ч для автомомбилей ВАЗ имеет номер EN 555 065 042, где первые три цифры - группа А (555); следующие три цифры - группа В (065); последние три цифры - группа С (042).

Группа А определяет напряжение и номинальную емкость. Для 6-вольтовых батарей 3 цифры данной группы представляют номинальную емкость (от 1 до 499 А-ч). Для 12-вольтовых батарей номинальную емкость можно получить вычитая 500 из трехзначного числа (если первая цифра 5, то емкость от 5 до 99 А-ч, 6 – емкость от 100 до 199 Ач или 7 - емкость от 5 до 99 Ач).

Группа В - идентификационный номер, определяющий габариты, полярность, тип крышки, тип крепления, наличие ручек, тип системы газоотвода, виброустойчивость и другие специфические параметры, которые можно уточнить в каталоге.

Группа С определяет ток холодной прокрутки при -18°С по европейскому стандарту EN. Значение в этой группе, умноженное на 10 дает значение тока заряда (330, 420, 540 или 1050 А).

Ток холодной прокрутки по стандарту EN измеряется по методике отличной от отечественного стандарта и DIN. Для пересчета разрядного тока EN в DIN необходимо разделить значение тока EN на коэффициент 1,7.

1.5.4. Основные параметры аккумуляторной батареи

Основным параметром, характеризующим аккумуляторную бата-рею, является ее электродвижущая сила (ЭДС) £6. Электродвижущая сила батареи, состоящей из п последовательно соединенных аккумуляторов, Еб = пЕ, где Е - ЭДС одного аккумулятора. Значение ЭДС свинцового аккумулятора, как и любого другого химического источника тока, зависит только от химических и физических свойств веществ, участвующих в электродных процессах, и совершенно не зависит от размеров электродов и количества активных материалов.

Электродвижущая сила одного аккумулятора определяется как разность равновесных потенциалов положительного и отрицательного электродов Е = ф+ - ф_, т. е. она определяется в отсутствие тока и всегда положительна.

Потенциалом электрода <р называется разность потенциалов между данным электродом и условным электродом сравнения. В качестве электродов сравнения в основном используется так называемый нормальный водородный электрод, представляющий собой электрод из платины, частично погруженный в раствор серной кислоты определенной концентрации, имеющий определенные давление и температуру. Значения электродных потенциалов табулированы.

Электродвижущая сила свинцового аккумулятора

a(H2S04) a(H20)

где R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; F - число Фарадея; a(H2S04) и а(Н20) - активности соответственно серной кислоты и воды.

Значение RT/F при температуре +25°С равно 0,02565 В.

Активность электролита зависит от его концентрации, т. е. от плотности у.

Поскольку электролит свинцового аккумулятора, принимая участие в электрохимических процессах, изменяет свою плотность, изменяются потенциалы электродов ф и соответственно ЭДС (рис. 1.36). При плотности у — 1.3 г/см3 и Т =

=+25°С, £ = 2,154 В.

Для практических целей ЭДС может быть определена по эмпирической формуле, дающей хорошее приближение,

Е = 0,84 + у25,

где Y25 - плотность электролита, измеренная, например, денсиметром при температуре +25°С.

Если измерения проводились при температуре, отличной от +25°С, то необходимо привести плотность у, к температуре +25°С:

у 25 = у, +0,00075(7-25).

Продифференцировав выражение (1.3) по температуре, получим температурный коэффициент 6EI6T = 0,000407 В/°С. Практически можно считать, что ЭДС почти не зависит от температуры, так как при изменении температуры на 100°С она изменится только на 0,04 В.

На практике более важным параметром является напряжение аккумулятора, которое при разряде всегда ниже, а при заряде выше значения ЭДС. Это отличие обусловлено падением напряжения на внутреннем активном сопротивлении аккумулятора R0, а также электродной поляризацией.

Поляризацией называется явление изменения потенциала электрода под действием прохождения тока от исходного равновесного Ф (без тока) до нового ф'. Мерой поляризации служит модуль разности потенциалов электрода под током и равновесного:

П = |Ф'-Ф|-

При разряде аккумулятора потенциалы электродов за счет поляризации сближаются, а при заряде раздвигаются, т. е. напряжение соответственно уменьшается или увеличивается. Таким образом, напряжения разряда Up и заряда U3 выражаются формулами:

где /р, /3 - соответственно токи разряда и заряда.

Поляризация является одним из основных факторов, вызывающих электрические потери в аккумуляторах и химических источниках тока вообще. Она зависит от относительной скорости токообразующей реакции, т. е. плотности тока на электродах J = I/S, где S - площадь контакта реагирующих компонентов. Поляризация может быть обусловлена рядом причин, важнейшие из которых: концентрационные изменения в растворе вблизи поверхности электрода (концентрационная поляризация); образование на поверхности электрода слоя сульфата свинца, имеющего большое удельное сопротивление и экранирующего активную поверхность электродов (пассивация электродов); затраты энергии на образование кристаллов при восстановлении окисных электродов (кристаллизационная поляризация); затраты энергии на поддержание электродной реакции на границе фазового раздела при прохождении тока (активационная поляризация) и т. д.

Так как процесс поляризации при прохождении тока через бата-рею приводит к дополнительным потерям энергии, его удобно представлять как потери на некотором дополнительном активном сопротивлении поляризации Я„.

Представим формулы (1.4) и (1.5) в виде:

Рис.1.37. эквивалентная электрическая схема замещения

Сумму поляризаций Еп = ᵑ(+)+ᵑ (-) иногда называют ЭДС поляризации.

Поляризация является переходным процессом. Его длительность после включения батареи на разряд зависит от силы тока и температуры электролита. Пока батарея не работает, концентрация электролита во всех точках одинакова. При включении тока нагрузки концентрация в приэлектродном слое начинает изменяться и распределение концентрации становится неравномерным. Это изменение продолжается до тех пор, пока не наступит некоторое стационарное распределение концентраций. Для стартерных разрядов и температуры до -30°С время этого процесса не превышает 10 с, с увеличением тока разряда время поляризации и сопротивление Rп уменьшаются.

Аккумулятор удобно представлять приближенной эквивалентной электрической схемой замещения, которая отражает основные процессы, происходящие в нем как в элементе электрической цепи (рис. 1.37). Схема представляет собой последовательное соединение источника равновесной ЭДС Е и двух активных сопротивлений: линейного Я0 и зависящего от тока нелинейного Rn. Для учета инерционности (реактивности) процесса поляризации параллельно R„ включена электрическая емкость поляризации С„, моделирующая переходные процессы при включении и отключении нагрузки RH. В установившемся режиме конденсатор Сп заряжен до напряжения Еп = Rп/ и выполняется равенство

U_h — Е — /_н (R₀ + Rn) — Е Е_п — /_НR₀

(UH - напряжение на нагрузке).

Зависимость сопротивления поляризации Rп от тока разряда показана на рис. 1.38.

Омическое сопротивление батареи R0 является суммой сопротивлений электролита Rэл, сепараторов Rс, активной массы Rм, решеток и соединительных элементов Rэ. Под сопротивлением электролита подразумевается сопротивление той его части, которая находится между электродами. Таким образом, общее омическое сопротивление батареи при разряде

R0 = Rэл + Rс + Rм + Rэ.

Рис. 1.38. Изменение сопротивление поляризации R_п батареи 6СТ-90 в зависимости от силы разрядного тока I_р

 

Одним из важнейших параметров, характеризующих батарею, является ее емкость.

Разрядной емкостью Ср называется максимальное количество электричества Ортах (т.е. максимальный электрический заряд), которое аккумулятор может сообщить во внешнюю цепь при полном разряде от начального напряжения иначе до конечного UK0H за время

t_кон

Поскольку

то по определению

Обычно разрядная емкость аккумуляторных батарей определяется при постоянном токе I_р Тогда

Ср = I_рt_кон

Номинальная разрядная емкость аккумуляторной батареи °С определяется при 20-часовом режиме разряда током /= 0,05°Спри температуре +25°С. Разряд должен прекращаться после достижения конечного напряжения на выводных клеммах: 5,25 В у батареи на 6 В и 10,5 В у батареи на 12 В. Аналогично определяется зарядная емкость батареи С3. При постоянном зарядном токе С3 = l3tKон.

Единицей заряда в системе СИ является кулон (1 Кл = 1 А*с). Поэтому емкость стартерных батарей можно измерять в кулонах. Однако эта единица очень мелкая. Поэтому на практике используют внесистемную единицу ампер-час (1 А*ч = 3600 Кл).

Энергозапасом аккумуляторной батареи Wр называется максимальное количество энергии, которое выделяется во внешней цепи при разряде за время f_K0H.Так как напряжение Up батареи в процессе разряда не остается постоянным даже при постоянном токе /р, то функцию Up(t) нельзя вынести за знак интеграла. Однако, воспользовавшись выражением

для среднего напряжения Up за время f_K0H можно при постоянном разрядном токе выражение (1.6) записать в виде

Аналогично определяется энергия заряда: W₃ = U₃C₃.

Для электропотребителей автомобиля как нагрузки аккумуляторной батареи (особенно для системы пуска) более важным показателем является энергозапас И/р, а не емкость Ср. Однако при разряде контролировать ток разряда значительно проще, чем мощность; также проще определять ожидаемую длительность разряда по емкости, а не по энергозапасу. При этом энергозапас можно определить, проводя через равные промежутки времени дополнительно измерения напряжения разряда Up, и вычислив Up приближенно как

где N - количество замеров за время t_mH.

Непостоянство напряжения батареи в процессе разряда посто­янным током объясняется изменением различных компонентов его внутреннего сопротивления.

Поскольку при разряде аккумулятора губчатый свинец и дву­окись свинца превращаются в сульфат свинца с высоким электри­ческим сопротивлением, а плотность электролита уменьшается примерно от 1,28 до 1,1 и ниже, то омическое сопротивление акку­мулятора по мере разряда увеличивается. В разряженном состоя­нии сопротивление может достигать значения, превышающего бо­лее чем в 2 раза его величину до начала разряда.

Сильное влияние на внутреннее сопротивление аккумулятора оказывает также его температура (рис. 1.39).

 

Рис. 1.39. Изменение омического сопротивления R₀ батареи 6СТ-90 от степени разреженности ДСР при различной температуре

 

Так как сопротивление электродов и соединительных свинцовых деталей с изменением температуры меняется незначительно, определяющим фактором увеличения внутреннего сопротивления аккумулятора является сопротивление электролита. С понижением температуры удельное сопротивление электролита возрастает и при -40°С становится примерно в 8 раз больше, чем при +30°С.

Совершенство конструкции аккумулятора характеризуют коэффициенты отдачи по емкости _с и энергии _w

В идеальном аккумуляторе зарядная емкость С3 равна разрядной Ср. Однако, как было отмечено ранее, при заряде протекают также побочные электрохимические процессы, на которые тратится часть потребляемого зарядного тока /3. Поэтому для реального аккумулятора ц_с< 1. Отдача по энергии может быть определена как

Так как среднее напряжение разряда всегда меньше среднего напряжения заряда, что следует из выражений (1.4) и (1.5), отдача по энергии меньше отдачи по емкости и даже для идеального аккумулятора Vw < 1

Факторы, влияющие на емкость аккумуляторной батареи

Емкость аккумулятора в первую очередь зависит от количества активной массы и электролита, а также от коэффициента их использования. Теоретически необходимое количество активных материалов на 1 А-ч емкости, рассчитанное исходя из значений электрохимических эквивалентов, составляет 4,46 г двуокиси свинца, 3,87 г губчатого свинца и 3,66 г серной кислоты. Однако количество активных веществ в стартерных аккумуляторных батареях даже при номинальных разрядных токах в 2...3 раза превышает теоретически необходимое. Использование активных веществ ограничено из-за отложения сульфата свинца на поверхности электродов, что вызывает обеднение электролита в порах и быстрое снижение напряжения. В результате остаются неизрасходованными внутренние слои активных масс электродов и серная кислота электролита. Для работы в заданном диапазоне концентраций необходимо избыточное количество электролита. Уменьшение объема электролита при неизменном количестве активных веществ приводит к резкому снижению концентрации в нем серной кислоты при разряде и быстрому уменьшению напряжения до предельного значения 1/кон, т. е. к уменьшению емкости. Емкость аккумуляторной батареи существенно снижается с увеличением силы разрядного тока (рис. 1.40,а). Использование активных веществ при большой силе тока составляет 5...10%. Снижение емкости при этом связано в основном с резким уменьшением концентрации серной кислоты в порах пластин из-за большого количества сульфата свинца, который оседает на поверхности электродов и изолирует активную массу от контакта с электролитом, т. е. решающее значение играют поляризационные процессы в аккумуляторе.

При разряде, например, батареи 6СТ-75 номинальным током 3,75 А при температуре 25°С емкость составляет 75 А-ч, а при разряде током 250 А емкость резко падает и составляет всего 25 А*ч (см. рис. 1.40,а).

Имеются эмпирические уравнения, выражающие эту зависимость, из которых наиболее распространенным является уравнение Пейкерта.

Рис. 1.40. Зависимость емкости аккумуляторной батареи: а - от разрядного тока /р при температуре 25°С (батарея 6СТ-75); б - от температуры электролита и режима разряда (батарея 6СТ-90)

где /_р - разрядный ток; п,к- постоянные для данного типа батареи.

Значение константы п колеблется от 1,2 до 1,7, причем чем ниже конечное напряжение U _K0H, тем меньше п. «Идеальному» аккумуля­тору соответствует п = 1 (емкость не зависит от /_р).

Емкость аккумуляторной батареи уменьшается с понижением температуры (рис. 1.40,6). При низких температурах увеличивается вязкость электролита и замедляется скорость поступления серной кислоты в поры активной массы. Кроме того, наблюдается пониже­ние разрядного напряжения из-за ухудшения электролитической диссоциации и увеличения сопротивления электролита.

Вследствие влияния температуры на емкость аккумуляторной батареи емкость, полученную в процессе испытаний на разряд то­ком 0,05С₂₀ при средней температуре Т (С_т = 0,05С2₀*кон)» приводят к температуре 25°С по формуле

 

где С - емкость, приведенная к температуре 25°С; 0,01 - темпера­турный коэффициент изменения емкости в интервале температур

18...27°С.

Кроме того, на емкость аккумулятора оказывают влияние такие факторы, как пористость активной массы и материала сепараторов, толщина электродов, начальная плотность электролита. С увели­чением пористости активных масс, а также материала сепараторов улучшаются процессы диффузии электролита. С уменьшением толщины электродов коэффициент использования активных масс увеличивается, так как это способствует более равномерной работе наружных и внутренних слоев активной массы.

Как уже отмечалось, плотность электролита свинцовых аккуму­ляторов может служить критерием степени заряженности. По мере ее изменения от 100% до нуля плотность линейно уменьшается на 0,16 г/см³. Таким образом, при известной начальной плотности у₃ степень разряженности